2018年诺贝尔物理奖公布了,今年诺贝尔物理学奖分为两半,其中一半授予美国科学家阿瑟·阿什金(Arthur
Ashkin),阿斯金的贡献为“光学镊子及其在生物系统的应用”被人们成为光学镊子究竟是什么东西呢?
还是先谈谈作为镊子的光,激光。某些物质原子中的粒子受光或电的激发,由低能级的原子跃迁为高能级原子,当高能级原子的数目大于低能级原子的数目,并由高能级跃迁回低能级时,就放射出相位、频率、方向等完全相同的光,这种光叫做激光。
1960年7月7日,西奥多·梅曼宣布世界上第一台激光器诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来激发红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。激光有四个特性:
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单色性好:普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长,使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用.此外,激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用,已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
2
相干性好:由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好(由自发辐射产生的普通光是非相干光).激光为我们提供了最好的相干光源.正是由于激光器的问世,才促使相干技术获得飞跃发展,全息技术才得以实现。
3
方向性好:激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右.而普通光源发出的光射向四面八方,为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置,但即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上,光斑直径将扩大到1
000公里以上。
激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中,从而可将激光束制成激光手术刀.另外,由几何光学可知,平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小,再加之激光单色性好,经聚焦后无色散像差,使光斑尺寸进一步缩小,可达微米级以下,甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。
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亮度高:激光的亮度可比普通光源高出1012-1019倍,是目前最亮的光源,强激光甚至可产生上亿度的高温.激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一.利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。
要谈到光镊子,首先必须说的一个问题:光压。光压是指光照射到物体上对物体表面产生的压力。远在1748年欧拉即已指出光压的存在,并在1901年由俄国物理学家列别捷夫首次测量出来。人们可以从光的电磁理论或光的量子理论推算出光压的大小。
20世纪60年代,当激光作为具有极高亮度的相干光源出现时,光压的研究发生了革命性的变化。70年代初,人们开始对激光的辐射压开始全面和深入的研究,特别是对原子在不同条件下所受辐射压力的性质和机制进行理论探讨和实验观测,从而发展起原子束的激光偏转,激光冷却,光子粘胶及原子喷泉等实验技术,同时利用光压进行原子俘获,粒子操纵等研究。正是由于在激光冷却方面的先驱性研究,著名的华裔科学家,斯坦福大学的朱棣文教授与其他两人共同获得了1997年度诺贝尔物理学奖。
光源同时具有热效应和辐射效应。对普通光源而言,由热效应所产生的压力比由单纯动量交换产生的辐射压力大几个数量级,因此很难获得足够的辐射压力。激光的出现改变了这一状况,使光的辐射压力得到充分体现。同时激光光束的截面分布具有简单确定的数学表达,便于进行理论处理,使光阱和光悬浮的研究成为可能。激光镊子是利用激光与物质间进行动量传递时的力学效应形成三维光学势阱。
当一束强汇聚的高斯光场作用于透明粒子时,如果粒子的折射率n1大于周围介质的折射率n0,梯度力Fa, Fb
会把粒子推向光场的最强处(轴心)。在光束传播方向上光对粒子不仅会产生轴向的推力,还会产生逆轴向的拉力,从而实现捕获。这里光学捕获是通过透明介质微粒与光子发生动量交换而完成的。这与带电粒子受静电场库仑力或交变场的梯度力而实现的电动捕获不同,与金属粒子或超导体在磁场中的磁悬浮也不同。物理学中把这种现象叫做光学囚禁。
1970年,美国电报电话公司贝尔实验室的阿什金教授采用一束高斯激光,成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒,这一实验将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米范围,奠定了光镊的研究基础。之后他又设计了双光束光学陷阱,初步实现了光镊的雏形。
1986年,他把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱,证明光学势阱可以无损伤地操纵活体物质。目前所说的光镊即是这样一种三维全光学势阱。光镊对粒子无损伤,具有非接触性,作用力均匀,微米量级的精确定位,可选择特定个体,并可在生命状态下进行操作等特点,特别适用于对细胞和亚细胞层次上活体的研究,如对细胞或细胞器的捕获,分选与操纵,弯曲细胞骨架,克服布朗运动所引起的细菌旋转等。这也正是光镊得以在生物领域中被广泛应用,并显示出强大生命力和广阔应用前景的原因之一。正如其发明者所说,光镊"将细胞从它们的正常位置移去的能力,为我们打开了精确研究其功能的大门"。
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光镊是基于光的力学效应的一项新的物理工具,它如同一把无形的机械镊子,可实现对活体细胞及细胞器的无损伤的捕获与操作。光镊是目前研究单个活体细胞最独特而有效的工具。光镊的发明正适合了生命科学深入到细胞、亚细胞层次的研究趋势,也为生物工程技术提供了一种最新的手段。对光镊的初步应用已展示其在生命科学领域中无限美好的应用前景。
光镊,如同一把无形的镊子可以捕获微小的生命。它是激光发明以来,继激光刀(激光微束)之后在生命科学中得到重要应用的又一新的物理手段。细胞是生命结构和功能的基本单元,光镊用于微米范围内操纵微粒的特点正好符合细胞、亚细胞层次的研究。在20世纪末各种新技术争妍斗艳的角逐中,光镊以它能动态地研究活细胞的独特的功能,显示出耀人眼目的灿烂之光。所以对于解决1945年(薛定谔)提出生命是什么以来,人们一直如何在探索观察与研究活细胞的方法。光镊子,很好解决了在微米尺度上活细胞研究的进一步发展,期待着新思想、新技术、新方法的出现。
2018年10月北京时间2日下午5时53分许,诺奖委员会宣布,美国科学家Arthur Ashkin、法国学者Gérard
Mourou和加拿大科学家Donna
Strickland获得2018诺贝尔物理学奖,表彰其在激光物理学领域取得的奠基性成就。出生于1922年的阿什金在1987年取得一项重大突破:利用光学镊子抓起了活的细菌,而没有对其造成损伤。他立即开始了对生物系统的研究。今天光学镊子被广泛应用于探索生命的机制。
颁奖词指出,今年诺贝尔物理学奖表彰的是给激光物理学带来革命的发明。激光让观察到极小的东西和极快的进程成为可能,先进的精确仪器开启了全新的研究领域,也在工业和医学领域有广泛应用。
2018年10月3日于宜昌市尚书巷弄石斋